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に与えることができる。このようにアンカー筋の引張力を充填モ ルタル部への支圧力に変換することで、充填モルタルや母材 コンクリート強度を有効活用することができ、同時に孔壁部と の摩擦力も利用可能で、低強度コンクリートや孔壁面の状況 に作用されずに、安定したアンカー筋耐力が発揮されるものと 考えられる。
本報告は、テーパー型定着体を用いた接着系あと施工ア ンカー工法定着部の基礎的性状を明らかにすることを目的に 実験およびFEM解析により検討を行い、テーパー型先端定 着体の引抜き抵抗力を求めるための設計式を提案した2）。
なお、本研究が対象としている先端定着体と類似している 既往の研究としては、金属拡張アンカーボルトを用いた引抜き 抵抗機構に関する研究3）4）、削孔先端部を円錐状に穿孔す るアンダーカットを有するアンカーボルトの性状に関する研究5）
などがある。既往の研究では、コーン状の破壊となるような実 験が行われているが、本研究では孔壁面で充填モルタル部 を押し広げながら滑る破壊形態に着目して実験およびFEM 解析を行っている。
テーパー型先端定着体を用いた接着系あと施工アンカー工法の概要
2.
異形鋼棒を用いてアンカー筋径の10倍程度定着された通 常の接着系あと施工アンカー工法では、充填モルタルとアン カー筋との付着が働くので、アンカー筋に引張力が作用する と母材コンクリート表面付近から徐々に付着劣化が生じ、同 時にアンカー筋の定着長も短くなる。破壊形態もアンカー筋と ともに円錐状のコンクリート塊が抜け出すコーン破壊が一般的 に起こる。
あと施工アンカー工法は、コンクリート構造物の補強工事や 付帯設備の取り付けなどで多く用いられている。接着系あと 施工アンカー工法1）は、母材となるコンクリートに削孔を行い、
カプセル方式あるいは注入方式で、アンカー筋周辺部にモル タルなどを充填し、母材コンクリートとの一体化を行う。アンカー 筋周辺に充填したモルタル等が固結することで、アンカー筋 の引抜き耐力が発揮される。
接着系あと施工アンカー筋の引抜き耐力は、あと施工アン カーを構成している各要素の付着強度に依存している。例え ば、母材コンクリート孔壁面と充填モルタル、アンカー筋と充 填モルタルとの接合面の2ヶ所において、それぞれが所定の 付着強度を発現することで、アンカー筋の引抜き耐力が発揮 される。
あと施工アンカー筋に所定の引抜き耐力を発揮させるため には、削孔面の状況、充填モルタルのドライアウト防止など、
適切な施工管理が必要となる。仮に、管理状況が不備となっ た場合、所定のアンカー筋耐力が発揮できず、モルタルを充 填したアンカー筋周辺全体が引抜けてしまう場合もある。この ような挙動の発生は、あと施工アンカーの機能を損ねるととも に工法の信頼性を低下させる要因のひとつになっているものと 思われる。
そこで、あと施工アンカー工法の高耐力化を図り、かつ信 頼性を確かのものとする方法として、付着に依存した定着機 構から、先端定着体を用いた先端定着機構に着目した。
先端定着機構のアイデアとしては、くさび形状のテーパー を有する先端定着体をアンカー筋先端部に配置する構造を考
あと施工アンカー先端部に
テーパー型定着体を用いた場合の 引抜き抵抗機構の基礎研究
●キーワード：接着系あと施工アンカー、先端定着、付着強度
あと施工アンカー工法は、コンクリート構造物の補強工事や付帯設備の取り付けなどで、多く用いられている。接着系あと施工 アンカーの高耐力化、信頼性向上を目的に、アンカー筋先端にテーパー型の先端定着体を設ける工法を考案した。テーパー型 先端定着体のアンカーをFEM解析により表現することで、テーパー型先端定着体や充填材、母材コンクリートに生じる力学的挙 動を把握し、実験によりテーパーの角度の変化させたアンカーの変位・荷重の関係を検証した。これにより、引抜き抵抗機構を明 らかにしたうえで、テーパー型先端定着体の引抜き抵抗力の設計式を提案した。
1. はじめに
小林 薫* 鈴木 雄大**
平林 雅也*
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筋の周面の付着をグリース等で切ることで、引張力に作用し た引張力がテーパー型先端定着体を介して充填モルタルに 伝達する。さらにテーパーにより引張力が充填材や母材コンク リートに斜めに伝達するため、付着強度や引張強度に依存し た耐荷機構から、充填モルタルや母材コンクリートの圧縮強 度に依存した耐荷機構に変化させることを意図し、孔壁の状 況や母材コンクリート強度が低い場合でも安定したあと施工ア ンカー工法になるものと考えた。
3. 実験概要
3.1 試験体概要
テーパー型先端定着体の定着効果を確認するため、模型 試験体による載荷実験を行った。実験ではテーパー型定着 体の角度と充填モルタルおよび母材コンクリートの強度に着目 した。
試験体は図2および図3に示すテーパー型先端定着体を有
するアンカーを図4に示す配置とし、表1に示すパラメータで 3種類とした。ここでは定着体の効果確認を意図しているの で、3種類についての試験体を1体ずつ作成した。あらかじ め製作したコンクリートブロックにφ36mmの貫通孔を設け、ア ンカーが所定の位置となるように水充填モルタルを注入した。
充填モルタルの長さは、定着体から充填モルタルへの応力の 影響範囲以上とするため、テーパーの広い面（以下、底部）
を天端として狭い面（以下、首部）へ向けて100mmに統一 した。モルタルはアンカーの施工向きによらないモルタルポンプ で注入できる流動性を確保し、1袋10kgのプレミックスタイプの モルタルに水1.9kgを配合とした。
試験体に用いたコンクリートブロックは、600mm×600mm×
600mmの寸法とし、表2に示す配合とした。アンカーの押し 込みによるブロックの割裂破壊を防止するために、φ180mm のスパイラル筋を貫通孔の周りに配置し、ブロック外周を鉄筋 で拘束した。
貫通孔は、孔壁に付着した削りかすを除去したうえで、モ
図3 テーパー型先端定着体の形状
図2 テーパー型先端定着体の寸法 図1 テーパー型先端定着体を有する
接着系あと施工アンカー工法の概要
表1 強度確認試験体
図4 試験体概要
巻 頭 記 事
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特 集 論 文 4
いほど最大荷重が大きくなることがわかった。これは、テーパー 角θが小さくなるほどテーパー面と充填材の接触面が大きくな ること、急な角度を支持するめに大きな支圧力がテーパー面 と充填材の接触面に発生することが原因だと考えられる。
実験終了後、コア削孔により試験体のアンカーから母材コ ンクリートまでの一部を取り出して内部の状況を確認した。図7 テーパー角度D/H=1/1.5の場合、 図8にテーパー角度 D/H=1/2.0の場合を示す。すべての試験体において、テー パー型先端定着体が充填材を押し分けながら抵抗する挙動 となっている。母材コンクリートの天端が盛り上がる挙動が見 ルタルのドライアウト防止するため、モルタル充填の前に母材
コンクリートに水を刷毛塗りした。
アンカーの形状はテーパー角度の影響を確認するために テーパー形状を3種類とした。テーパーの形状は円錐の先端 を切り落とした形状となっており、底部の直径Dを26mm、首 部の直径dを20mmとし、テーパー高さHをパラメータとして、
テーパー角度D/Hを1/1.0、1/1.5、1/2.0とした。テーパー形 状による荷重伝達の効果を確認するため円柱状になっている アンカー筋にグリースを塗布し、摩擦の効果を除くようにした。
3.2 載荷方法
テーパー型先端定着機構は、アンカーが引っ張られたとき に、先端のテーパー形状がモルタルに引き込まれることで引 張力を直接伝える機構となっている。定着体の強度は不明で あるため、本実験では底部から首部の方向へ油圧ジャッキに より押し込むことで載荷した。
載荷方法は、テーパー型定着体の底部から1000kN用油 圧ジャッキにより荷重を加えた。テーパー型定着体の底部か ら載荷する方法を採用した理由は、アンカー筋の付着を切る ことを前提としているため、アンカー筋の引張力が直接テー パー型定着体に作用する機構としているからである。図5に 実験状況を示す。
3.3 実験結果
表1に実験結果を、載荷荷重–鉛直変位の関係を図6に示 す。塑性域初期である5mm程度押し込むまでの荷重におい
図6 荷重–変位曲線
図5 実験状況 表2 コンクリート配合
図7 載荷後の充填材内部（H/D=1/1.5）
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られ、テーパーにより押し分けられた充填材が母材コンクリート を押すために発生すると考えられる。これにより充填材が押し 込まれることによる放射状の圧縮応力が発生していることが言 える。実験終了後の母材コンクリートの状況を図9に示す。母 材コンクリートには放射状のひび割れが発生しており、同心円 状にコンクリートがひび割れるだけの引張応力が発生している ことがわかる。スパイラル筋より内側の亀裂は45°程度ごとに 発生しており、外周は矩形なため軸対称でない形状をしてい るが、中央部は軸対称に同心円状の引張応力が均一に発生 していることが言える。
FEM 解析
4.
4.1 解析モデル概要
テーパー型先端定着体アンカーの耐荷挙動を明確にする ために、FEM解析により検討を行った。
図10に解析モデルを示す。スパイラル筋、スパイラル筋より 内側の母材コンクリート、充填材およびアンカーをモデル化し、
アンカーを押し込む方向へ強制変位を与えた。スパイラル筋よ り内側で亀裂が45°程度ごとに発生していたことより、1ブロック を45°となる1/8分割と考え、安全側を考慮して2ブロック分の 90°となる1/4分割の対称性モデルにより解析を行った。スパイ ラル筋より内側をモデル化したのは、スパイラル筋による拘束 を再現できる範囲とすることで、アンカー近傍の挙動が確認で きると考えたためである。スパイラル筋は内側の母材コンクリー トやモルタルを拘束できればいいので、均一化して円筒状の
モデルとなっている。
解析モデルごとの摩擦係数、材料特性を表3に示す。治具、
テーパー型定着体、アンカー筋およびスパイラル筋の材質を 鋼として、弾性係数210000N/mm2の弾性体とした。要素試 験結果より得られた最大圧縮応力を用いて、母材コンクリート は、D/H=1.0で31.0N/mm2、D/H=1/1.5で30.9N/mm2、 D/H=1/2.0で28.6kN/mm2とし、充填材のモルタルは、
65.7kN/mm2とした。コンクリートとモルタルは、バイリニアの 弾塑性体とし、塑性後は水平となる応力–ひずみ関係を設定 している。
実験において押し込み時にアンカーがモルタルを押し広げ ながら鉛直変位が進む挙動となっていることから、テーパー面 と充填材の間およびアンカー筋と充填材の間に接触要素を用 いた。静的載荷であるため、接触面には静止摩擦力が発生 するようにしており、グリースにより摩擦を切ったアンカー筋は 摩擦係数μ=0とし、テーパー面は摩擦係数が不明であるため、
μ=0～1の範囲で変化させて解析した。
さらに実験時の材料や施工など試験結果がばらつくため、
テーパー角θのみをパラメータとした荷重–変位の関係を解析 的に検討した。治具、テーパー型定着体、アンカー筋および スパイラル筋の材料特性は変更せず、その他の材料特性と 静止摩擦係数は表4に示すようにコンクリート強度、モルタル 強度、静止摩擦係数を一定とし、テーパー角θをD/Hを 1/1.0、1/1.5、1/2.0の3種類に変化させた。
図9 コンクリートブロックひび割れ状況
図10 解析モデル
表3 解析条件
巻 頭 記 事
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特 集 論 文 4
4.2 解析結果
実験および解析における、アンカーの底部の鉛直反力と鉛 直変位の関係を図11～13に示す。
テーパー面の摩擦係数がμ=0のときは、D/Hに係らず実 験結果に対して解析結果の勾配および荷重が低くなることが わかった。また、D/H=1/1.0にμ=0.20、D/H=1/1.5に μ=0.17、D/H=1/2.0にμ=0.23を設定することで、実験と解 析の荷重–変位の関係が概ね一致することがわかった。その ため、アンカーの耐荷力には摩擦力が寄与していることがわ かり、摩擦係数μをパラメータとした解析モデルの適用性を 確認できた。
解析結果より、テーパー面の摩擦係数μは最少で0.17で あったと推定さたが、黒皮をグラインダーで除去した鋼板とモ ルタル（圧縮強度64.4N/mm2）との摩擦力を測定した実験6）
の静止摩擦係数0.26より小さくなっている。これはテーパー面 の方がグラインダー処理より平滑に仕上がっているために、滑 りやすかったためだと考えられる。
テーパー角θのみをパラメータとした解析結果を図14に示 す。この結果より、D/H=1/2.0で最大となり、テーパー角度 が小さくなるほど荷重は大きくなった。勾配がなだらかになる 押し込み長2mm～10mmの区間において、D/H=1/1.0に対 するD/H=1/2.0の反力は最大1.3倍となった。このため、底 部と首部の径が決まっている場合、テーパー高さHを長くし、
テーパー角θを小さくすることで高い耐荷力となることが言え る。また、テーパー角θを変化させても弾性域の勾配に大きな 差が見られなかった。実験では弾性域の勾配に差が見られ たが、実験における材料特性のばらつきや、試験器具の遊 びが原因だと考えらえる。
これまでの実験および解析結果より、テーパー型先端定着 体の耐荷モデルを検討した。テーパー部を取り出すと図15に 示すような力のつり合いとなる。
ここで、Fは引抜き力、Rはテーパー面直角方向の力、
μは静止摩擦係数、θはテーパー角である。引抜き方向の つり合いは式（1）となる。
図11 荷重–変位（D/H=1/1.0） 図13 荷重–変位（D/H=1/2.0）
表4 解析条件（テーパー角θのみ変化）
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充填モルタルがテーパー面に接する全面で塑性変形し、
テーパー面の応力σが均一になったと仮定すると、Rは式（2）
となる。
ここで、Aはテーパーの面積である。式（1）と式（2）よりテー パー型先端定着体の引抜き力は式（3）となる。
この提案式に実験で得た充填材のモルタルの降伏応力 65.7N/mm2と、解析により求めたD/Hごとの静止摩擦係数μ を代入すると、RはD/H=1/1.0でμ=0.20として38.9N、
D/H=1/1.5でμ=0.17として45.7N、D/H=1/2.0でμ=0.23とし て71.0Nとなる。これら耐荷力を図11～13に入れると、それぞ れ実験値の荷重–変位において、弾性域の最大引抜き力を 示す変位と概ね一致した。
提案式は、テーパー面に接するモルタルが全面降伏してい ることを表す。全面降伏後は、モルタルの塑性域が母材コン クリートの方向に拡大していくと想定されるため、塑性域の拡 大に伴ってモルタルの抵抗力が減少し、荷重–変位の勾配が 緩やかになると考えられる。図16はD/H=1/2.0の解析モデル において、提案式より算出された反力となったときの、充填材 および母材コンクリートの最小主応力分布を示している。塑 性範囲と表記した範囲の最小主応力がモルタルの降伏応力 に達しており、その範囲はテーパーと接するほぼ全面であるこ とがわかる。
以上より、この提案式はテーパー型先端定着体における荷 重–変位曲線の弾性域での最大引抜き力を評価する式とする。
図16において、モルタルと接する母材コンクリートまで応力 が発生しており、テーパーの効果により支圧力が発生してい ることが確認できる。
5. まとめ
本検討結果を以下にまとめる。
（1）実験の範囲内で、テーパー型先端定着体による破壊形 態は、充填材を押し広げながら定着体が抜けていく挙 動であることが分かった。
（2）テーパー角θが同じ場合、テーパー面に摩擦力が生じる ことで、アンカー耐荷力が上昇することがわかった。
（3）実験および解析より、テーパー型先端定着体の底部と 首部が同じ寸法であるとき、テーパー角θが小さいほど、
大きな耐荷力となった。
（4）テーパー部の鉛直方向の力のつり合いと、テーパー面に 接する充填材の圧縮強度より、テーパー型先端定着体 の耐荷力の計算式を提案した。
参考文献
1）日本建築学会：各種合成構造設計指針・同解説,2010.11 2）平林雅也，小林薫，鈴木雄大：テーパー型定着体を用
いたあと施工アンカーの引抜き抵抗機構，コンクリー ト工学年次論文集，Vol35，No.2，pp1507-1512，2013 3）上村克郎，小西敏正，橘高義典，関和彦：メカニカル
アンカーボルトの引抜き耐力に及ぼすコンクリート母 材の影響，第8回コンクリート工学年次講演会論文集，
pp405-408，1986
4）細川洋治，青山博之，小谷俊介，石原益夫：耐震補強 金属系アンカーの引抜き抵抗機構，コンクリート工学 年次論文報告集，10-3，pp63-68，1988
5）百瀬光広，丸山久一，清水敬二，橋本親典：アンダーカッ ト型アンカーボルトの性状に関する研究，コンクリー ト工学年次論文集，12-2，pp801-806，1990
6）松沢晃一，小澤潤治，渡邉高朗：鋼材とセメント系材 料の摩擦性状に関する実験的研究，コンクリート工学 年次論文集，Vol303，No.3，pp1141-1146，2008 図16 充填材、母材コンクリートの最小主応力分布 図15 力のつり合い
